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1、手工电弧焊1.1 焊接的基本原理电弧焊是利用在两极之间的气体介质中产生持久而强烈的放电现象,产生高温使焊件熔接在一起.其主要特点是,电弧是熔化金属的热源,而电弧的能量来自电源.手工电弧焊(简称手弧焊),是利用手工操纵焊条进行电弧焊的方法.操作中焊条和焊件分别作为两个电极,利用焊条和焊件之间产生的电弧热量来熔化焊件金属,冷却后形成焊缝.1.1.1 焊接电弧的引燃手工电弧焊开始,焊机开动,虽有空载电压作用在焊条和焊件(或称两极)上,但这时电极之间的气体仍保持为原子状态,还没有产生电弧,面电弧只有经过引燃过程后才能产生.当气体原子或分子获得足够能量时,便可释放电子,形成正离子和负离子.这些正负离子及
2、电子组成的带电质子,在气体中达到一定浓度以后,就使气体变成导电体.引燃电弧的重要条件之一就是使电极之间的气体导电.引燃电弧时,焊条未端碰触被焊件,焊接回路短路,强大的短路电流流过短路处,将产生很多的热量,焊条末端与焊件的接触处迅速熔化甚至蒸发.在提起焊条瞬间,短路电流通过金属的细颈,这时电流密度迅速增大,它的温度突然升高.当焊条与焊件迅速分开以后,在两极间的气体间隙中,充满了容易导电的金属蒸气.在焊条与焊件分开的同时,很高的电压作用在两电极之间,使阴极向外发射电子,因为气体里有金属蒸气和药皮蒸气,气体开始导电,电弧便引燃了.电弧引燃以后,气体的带电质点迅速增加,它的浓度达到平衡.阴极的连续电子
3、发射,气体的不断电离,就能使电弧持久而稳定地燃烧.1.1.2 焊接电弧的构成焊接电弧由阴极区阳极区和弧柱区三部分组成.电弧紧靠阴极表面的区域称为阴极区,紧靠阳极表面的区域称为阳极区.由于正离子的质量要比电子质量大得多,因此在同一电场的作用下,电子离开阴极而跑向阳极的速度要比正离子离开阳极而跑向阴极的速度大得多.这样,在阴极区便剩有较多的正离子,造成阴极区电压降.同理,在阳极区便有较多的电子造成阳极区电压降.阴极区的电场强度较大,电弧里的正离子轰击阴极表面,把它们的电场能量转变为热能,在阴极表面形成白亮的辉点,叫做阴极辉点.阴极辉点的最高温度可以达到阴极材料的沸点.同样原因,负离子和电子轰击阳极
4、表面,形成阳极辉点.用直流电源焊接,被焊工件可以接到焊机输出端的正极或负极,前者称为焊接的正极性或正接,后者称为焊接的反极性或反接.正接的阳极辉点都落在被焊工件上,反接的阴极辉点都落在被焊工件上.熔深主要是在辉点处加热形成的,如果阴极和阳极是同样的材料,由于阳极辉点的温度高于阴极辉点的温度,所以正接比反接产生的熔深大.位于阴极区和阳极区中间部分的电弧叫弧柱.弧柱长度随两个电极之间的距离而变化,但因为阴极区和阳极区厚度很小,通常便用弧柱的长度来代表电弧的长度.弧柱的温度由于不受电极材料沸点的限制,因此弧柱温度通常高于阴极辉点和阳极辉点的温度,可达达 5000-8000.一般情况下,焊接电流越大,
5、弧柱中电离程度也越大,弧柱温度也越高.焊接电弧的能量是由焊接电源(弧焊发电机或弧焊变压器)供给的.这些能量消耗于阴极发射电子,气体分子吸热以后分解为原子,原子电离并激励带电质子的运动.这些消耗的能量又通过电弧各个区域的带电质点碰撞相应电极异性带电质点的复合吸热化学反应受激励的原子回复到稳定的状态等途径,以热能和辐射能等形式释放出来.实质上,电弧燃烧是能量转换的过程,焊接电弧所产生的能量能用于焊接.1.1.3 焊接电弧的静特性当一定的电极材料气体介质和一定长度的电弧稳定燃烧时,电弧电压和电流的关系称为电弧的静特性,也称伏-安特性.典型的电弧静特性曲线如图手弧焊非熔化极气电焊熔化极气电焊电 弧 电
6、 压焊接电流L2L1La2a1ab2b1bc2c1cd2d1d静特性曲线的 ab 段是焊接电流较小的范围,当电流密度增大时,阴极辉点的面积增大,阴极发射电子能量增强,电极之间的气体更多地电离,同时弧柱的横截面也扩大.弧柱电阻减小的倍数大于焊接电流增加的倍数.结果,随着焊接电流的增加,电弧电压降低.在静特性曲线的 bc 段,随着电极电流密度的增加,阴极发射的电子阴极辉点的面积电极之间气体电离和弧柱截面积有所增加,弧柱的电阻也有所减小.但弧柱减小的倍数等于焊接电流增大的倍数,所以电压大小不变,得出接近水平线段.在静特性曲线的 cd 段,大电流密谋继续增加,阴极辉点布满电极端面,弧柱横截面积和单位体
7、积内气体带电质点数量增加很少,强大的焊接电流是在高的弧柱电压条件下产生的,所以电弧电压随着焊接电流的增加而提高,从而得出静特性曲线的上升线段.手弧焊时,由于使用电流受到限制(通常不大于 500A),一般使用静特性曲线的ab 段末端部分和 bc 端全部,而无需使用 cd 段.1.1.4 焊接时的熔滴过渡手弧焊时,熔化的焊条或焊丝金属以颗粒形式进入熔化的过程称为熔滴过程.熔滴过渡的形式影响到飞溅的严重程度焊缝形状是否产生焊接缺陷和电弧是否稳定燃烧等方面,从而对焊接质量产生很大的影响.1 参与熔滴过渡的力熔滴是否过渡和过渡的形式取决于以下几种力的综合作用.1) 表面张力表面张力是由物体内部的原子或分
8、子吸引表面的原子或分子所五项形成的.对于一定体积的液体,在不受外力作用的条件下,液体自发地保持最小的表面面积,就是表面张力的一种表现.焊接过程中,如果焊丝或焊条末端接触熔池,焊条或焊丝的熔融金属便会合并到熔池中去,当达到一定的液态金属时,保持最小表面面积.这时,表面张力有利于熔滴过渡.2) 熔滴重力熔滴重力在平焊时有利于过渡,在仰焊时妨碍过渡,其它位置焊接时使熔滴落入熔池发生困难.3) 电磁收缩力从电工知识可知,两根平行的载流导线通过同向电流时,这两根导线在磁场的作用下会相互靠拢,这种作用力叫做电磁收缩力.焊接时,可以把焊丝和它的末端的熔滴看成是许多细的通过同向电流的载流导线.最初的电磁收缩力
9、垂直于焊丝纵轴线,使焊丝末端的熔融金属产生细颈,这种收缩力与焊接电流值的平方成正比.当形成细颈后,电力线不再平行于焊丝纵轴线,因为磁场作用力垂直于电力线,使电磁收缩力具有水平力和垂直力,既掐断细颈,以把熔滴推离焊丝末端.焊接时,一般焊条所通过的电流密度比较大,电磁收缩力也就比较大,相比之下,重力所起的作用很小.液体熔滴主要是在电磁收缩力的作用下,以较小的熔滴向熔池过渡,而且方向性较强,不论是平焊或仰焊,熔滴金属在电磁收缩力的作用下,总是沿着电弧轴线向熔池过渡.4) 极点压力电弧焊时,由于电场的作用,正离子要加速跑向阴极,电子和负离子要加速跑向阳极,这些带电微粒撞击在两极的辉点上,便产生机械压力
10、,称为极点压力,是一种阻碍熔滴过渡的力.在直流正接时,阻碍熔滴过渡的是正离子压力;直流反接时,阻碍熔滴过渡的力是电子的压力.由于正离子比电子质量大,因此正离子流的压力比电子流的压力大,在直流反接时容易产生细颗粒过渡,而直流正接时则不易做到.5) 气体吹力电弧焊时,焊条药皮的熔化稍微落后于焊芯的熔化,在药皮的末端形成一小段尚末熔化的喇叭形套管.套管内有大量的造气剂分解产生的气体以及焊芯中碳元素氧化生成的 CO 气体,这些气体加热到高温时,体积急剧膨胀,并顺着未熔化套管方向把熔滴吹到熔池中去.不论焊缝的空间位置如何,这种吹力都将有利于熔滴过渡.2 熔滴过渡的形式金属熔滴向熔池过渡分为短路过渡粗滴过
11、渡和喷射过渡这三种形式.1) 短路过渡它的特征是熔滴在焊条末端长大后与熔池接触,形成短路,电弧熄灭,熔滴进入熔池,随后又重复上述过程.短路过渡在小电流低电压情况下发生,易达到稳定的金属熔滴过渡和稳定的焊接过程,适合于焊接薄板或堆焊.2) 粗滴过渡它的特征是当电弧电压比较高时,焊条端部的熔滴长大后不会接触熔池,焊接电路未短路,熔滴以较大颗粒进入熔池.增大电流密度会使熔滴变细,过渡频率增加.由于焊接过程中电弧电压与焊接电流波动较小,焊缝的横截面成扁豆状,焊丝末端圆秃.手弧焊时多为粗滴过渡.3) 喷射过渡它的特征是焊丝较细,电流密度不断增大,焊丝产生电阻热很大,当电流密度增大到某一临界值时,熔滴突然
12、变得很细,过渡频率和过渡速度也突然增大,产生了喷射过渡.由于焊接过程中电流和电弧电压波动更小,因此焊接过程稳定,飞溅小,熔深大,焊缝成形美观,焊缝横截面成菌状.这种过渡多用于细丝直流反接惰性气体保护焊.1.1.5 焊接熔池与冶金特点手弧焊时,焊件和焊条在电弧热量的作用下,不断熔化,焊件上形成液体金属的小池称为熔池.熔池和熔滴周围充满着大量的气体,同时有熔渣覆盖.这些气体熔渣与液体金属不断地进行着一系列复杂的物理化学反应,这种在高温时发生在熔滴过渡和熔池的焊接区内的各种物质相互作用的过程,称为焊接冶金.冶金反应的结果显著地影响着焊接质量.其冶金特点有以下几个方面.1 电弧温度高手弧焊碳钢材料时,
13、随着焊接工艺参数不同,熔滴平均温度在 1800-2400,且不均匀;熔滴过渡时,穿过温度高达 4500-7800的弧柱区,极高温度能使液体金属强烈地蒸发,使气体分子(N2H2O2等)分解.分解后的气体原子或离子很容易溶解到液体金属中去,这就增加了金属凝固后产生气孔的可能性.而熔池也被液态金属所包围,两者温差很大,又使焊接结构常常产生内应力,以致引起变形或产生裂纹.2 熔池体积小,熔池金属不断更新手弧焊时,熔池体积平均只有有 2-10cm3,同时,加热及冷却速度很快,从局部金属开始熔化并形成熔池到结晶完毕的整个过程,一般只有几秒种时间,而温度又在不断变化,因此整个冶金反应过程达不到平衡.化学成分
14、在很小的金属体积内有较大的不均匀性,易形成偏析.随着焊接熔池的不断移动,新的铁水和熔渣加入到熔池中参加冶金反应,增加了冶金反应的难度.3 熔滴金属与气体熔渣接触面积大虽然熔滴尺寸很小,但熔滴比表面积极大,约比炼钢时大 1000 倍.比表面积大可以加速冶金反应的进行,但同时气体侵入液体金属的机会也增多,因而使焊缝金属发生氧化氮化以及产生气孔的可能性增大.1.1.6 焊缝的形成和结晶1 焊缝的形成金属熔滴从焊条末端向熔池过渡途中,一部分变为金属蒸气或被氧化形成烟尘,一部分飞溅出熔池外,而大部分则落入熔池.随着电弧的移动,熔池金属不断冷却而形成焊缝.熔池的几何尺寸与焊接工艺参数母材性质坡口的形状和大
15、小等有关;焊接电流增大,则熔深增加;提高电弧电压,则可增大熔宽;而熔池长度则与电弧功率及焊接速度有关.2 焊缝金属的两次结晶过程焊缝金属的组织是在第一次结晶之后金属继续冷却到相变温度以下,经过二次结晶的实际组织.第一次结晶是从液体变成固体的结晶过程.焊接时,液体金属的温度降低到熔点时,原子间的活动能力逐渐减小,原子间吸引力逐渐增强,当达到凝固温度时,液体金属原子中,开始有一些原子有规则的排列,形成微小晶体-晶核.然后,这些晶核就依靠吸附周围液体中的原子进行生长,称为长大.第二次结晶是当焊缝金属温度降低至相变温度时发生的组织转变.由于焊缝金属由填充金属及母材金属共同组成,而且二者在焊缝中的比例又
16、与坡口形式焊缝成形工艺有关,因此,在对焊缝的二次组织要具体分析.1.1.7 熔化金属与气体的相互作用1 气体的来源焊接熔池周围充满了大量的气体,其主要成分有 H2O2N2COCO2水蒸气和金属蒸气等,它们的来源有1)热源周围的气体介质(如空气);2)焊条药皮内的水分;3)母材金属和焊条金属由于冶炼过程而残留的气体;4)焊件表面存在的各种杂质(如油漆锈),焊接时会产生大量的气体;5)在电弧的高温下,金属和药皮发生强烈的蒸发现象,放出气体.由此可见,焊接过程中,气体的数量种类是相当多的,并且随焊接方法焊条种类及焊接工艺参数的不同而不同.这些气体残留在熔池中,对焊缝质量均有不同的影响.2 熔化金属与气体的相互作用1)金属的氧化及其影响手弧焊钢铁时,由于电弧高温,氧由分子状态分解为原子状态,并能使铁激烈氧化生成氧化铁,还会使其它元素氧化生成氧化锰氧化硅等.其中氧化铁能溶于钢液中,又使钢中其它元素进一步氧化,生成一氧化碳和二氧化碳气体.由于氧化的结果,使焊缝中有益元素大量烧损,氧化的产物在焊缝中无论是以夹杂物的形式存在,
